在轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)的業(yè)務(wù)品類中，筆記本質(zhì)檢業(yè)務(wù)和硬件息息相關(guān)，結(jié)合日常工作內(nèi)容，在本篇內(nèi)容，一起探討下對筆記本硬件中硬盤存儲器的理解。

一、硬盤的分類

隨著存儲技術(shù)的不斷發(fā)展，產(chǎn)品形態(tài)的不斷迭代，硬盤的種類日益豐富。根據(jù)硬盤使用場景、拆卸便利性，可以初步簡單分為：

? 可移動式硬盤（Movable）：可以隨時被取出或者更換

○ 基于芯片存儲的USB閃存盤、軟盤；

○ 基于磁頭存儲的光盤、移動硬盤；

? 非可移動式硬盤（Fixed）：固定在設(shè)備內(nèi)部，無法隨時取出，

○ 機械硬盤（HDD）；

○ 固態(tài)硬盤（SSD）；

○ 混合硬盤（SSHD）；

表1、硬盤的分類

二、非可移動式硬盤分類

對于筆記本業(yè)務(wù)，非可移動式硬盤關(guān)聯(lián)度較大，本文就此類型繼續(xù)探討。根據(jù)存儲介質(zhì)和工作原理的不同，目前常見的硬盤主要可分為以下幾類：

2.1機械硬盤（HDD，Hard Disk Drive）

機械硬盤是傳統(tǒng)的硬盤類型，它通過機械部件的運轉(zhuǎn)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和讀取。其內(nèi)部包含盤片、磁頭、電機等機械結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)被記錄在涂有磁性材料的盤片上。

機械硬盤的優(yōu)缺點：

? 機械硬盤的優(yōu)點：

單位存儲容量成本較低，容量選擇范圍廣，從幾百 GB 到十幾 TB 不等，適合需要大量存儲數(shù)據(jù)且對成本較為敏感的場景，比如數(shù)據(jù)服務(wù)器、個人電腦的大容量數(shù)據(jù)備份等。

? 機械硬盤的缺點：

由于存在機械運動部件，機械硬盤的讀寫速度相對較慢，通常在每秒幾十到一百多 MB，而且抗震性較差，在受到劇烈震動時容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)損壞或硬件故障的情況。

2.2固態(tài)硬盤（SSD，Solid State Drive）

固態(tài)硬盤是基于閃存芯片進行數(shù)據(jù)存儲的硬盤，沒有機械運動部件。它采用與 U 盤類似的存儲原理，但在性能和結(jié)構(gòu)上進行了大幅優(yōu)化（如采用多通道并行架構(gòu)、獨立緩存芯片）。

固態(tài)硬盤的優(yōu)缺點：

? 固態(tài)硬盤的優(yōu)點：

? 由于設(shè)計原理的不同，固態(tài)硬盤的讀寫速度遠(yuǎn)快于機械硬盤，通常：

○ 普通的 SATA 接口固態(tài)硬盤讀寫速度可達(dá)到每秒 500-600 MB；

○ NVMe 協(xié)議的 PCIe 4.0 接口固態(tài)硬盤，讀寫速度甚至能突破每秒 7000 MB；

因為固態(tài)硬盤的讀寫速度快，用于筆記本中極大地提升了開機速度（可壓縮至 10 秒內(nèi)）、軟件加載速度（大型軟件啟動時間縮短 50% 以上）和文件傳輸速度。

? 固態(tài)硬盤抗震性好（可承受 1500G 沖擊力）；

? 體積?。ㄈ?M.2 形態(tài)厚度僅 2-3mm）、重量輕（約 5-10g）；

? 工作時無機械部件結(jié)構(gòu)運轉(zhuǎn)，固態(tài)硬盤的靜音性很好；

? 固態(tài)硬盤的缺點：

● 固態(tài)硬盤的單位存儲容量成本相對較高（相同容量下價格約為機械硬盤的 3-5 倍）；

● 存在寫入壽命限制（以 TLC 閃存為例，單芯片擦寫次數(shù)約 1000-3000 次）；

雖然通過 SLC 緩存、磨損均衡算法可延長使用壽命，但對于需要超大量寫入操作的場景（如服務(wù)器日志存儲、視頻渲染臨時文件），仍需謹(jǐn)慎考慮。

2.3混合硬盤（SSHD，Solid State Hybrid Drive）

混合硬盤，一種結(jié)合了機械硬盤和固態(tài)硬盤優(yōu)點的過渡性存儲產(chǎn)品。

在機械硬盤的基礎(chǔ)上，SSHD集成了一小塊閃存芯片（通常為 8-64 GB），來作為高速緩存區(qū)域（采用 SLC 或 TLC 閃存）。

混合硬盤通過 “自適應(yīng)學(xué)習(xí)算法”，將用戶近 24-72 小時內(nèi)經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)（如操作系統(tǒng)文件、常用軟件、近期打開的文檔）自動遷移到高速緩存中，而不常用的數(shù)據(jù)則存儲在機械硬盤的盤片上。

混合硬盤的優(yōu)缺點：

? 混合硬盤的優(yōu)點：

既可以利用機械硬盤實現(xiàn)大容量存儲（如 1-2TB），又能通過高速緩存提升常用數(shù)據(jù)的讀寫速度（常用文件讀取速度接近 SATA 固態(tài)硬盤），在成本和性能之間取得了一定的平衡（價格僅比同容量機械硬盤高 10%-20%）。

? 混合硬盤的缺點：

混合硬盤的性能提升效果受限于緩存的大小和算法的優(yōu)化程度（若緩存滿后，性能會回落至機械硬盤水平），相比純固態(tài)硬盤，在隨機讀寫性能（IOPS 約為純 SSD 的 1/5-1/10）和持續(xù)高負(fù)載場景下的穩(wěn)定性上仍有較大差距。

目前SSHD市場份額相對較小，主要應(yīng)用于一些對存儲容量和成本有一定要求，同時又希望獲得部分性能提升的筆記本電腦（如入門級游戲本）、家用 NAS 等設(shè)備中。

三、硬盤的接口和協(xié)議

在日常購買硬盤或者搜索相關(guān)硬盤資料時，通常各種復(fù)雜的參數(shù)、名詞，整的眼花繚亂，云里霧里，比如M.2、SATA、NVME等等，下面咱們一起來梳理下。

在介紹之前，先了解幾個概念：

○ 接口： 硬盤與主板之間的物理連接方式，決定了外觀和插槽，通俗理解為“插頭形狀”；

○ 總線： 接口背后的通信通道，規(guī)定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹熬€路“，通俗理解為“電線和帶寬”；

○ 協(xié)議： 通信規(guī)則和指令集，規(guī)定了數(shù)據(jù)如何讀寫、尋址和調(diào)度，通俗理解為“傳輸規(guī)則”；

計算機和硬盤之間，通過”接口 -> 總線 -> 協(xié)議”的層級形式，實現(xiàn)物理形式連接和數(shù)據(jù)交換通信。硬盤種類繁多，形態(tài)各異，因此接口類型和協(xié)議也較多，簡單梳理如下圖1：

圖1、硬盤接口、總線、協(xié)議

硬盤的接口協(xié)議是連接硬盤與計算機主板的橋梁，直接影響硬盤的讀寫速度、兼容性和穩(wěn)定性。不同類型的硬盤對應(yīng)著不同的接口協(xié)議，目前主流的硬盤接口協(xié)議主要有以下幾種，其核心區(qū)別、優(yōu)缺點及適用場景如下：

3.1各接口協(xié)議核心參數(shù)對比表

3.2不同的接口解析

硬盤接口，直接決定著硬盤與計算機之間的連接速度，在整個計算機系統(tǒng)中，硬盤接口的優(yōu)劣直接影響著程序運行快慢和系統(tǒng)性能好壞。

硬盤接口類型可分為 ATA、IDE、SATA 、M.2、SCSI 、SAS 、光纖通道等，常用場景：

       筆記本硬件中，常見接口有ATA、SATA、M.2接口，下面一起梳理下。

3.2.1ATA、PATA、SATA接口

ATA（Advanced Technology Attachment，高級技術(shù)附加裝置），IDE（電子集成驅(qū)動器）的接口標(biāo)準(zhǔn)，分為：

? PATA：ParallelATA，并行ATA接口，通常習(xí)慣將其稱為ATA接口

用傳統(tǒng)的40-pin 并口數(shù)據(jù)線連接主板與硬盤的，外部接口速度最大為133MB/s。并口線的抗干擾性太差，且排線占空間，不利計算機散熱，逐漸被SATA所取代。

? SATA：SerialATA，串行ATA接口

更輕薄、更靈活的接線方式，相較于PATA接口，數(shù)據(jù)傳輸速率更快。 

第一代SATA硬盤的寫入速度為 150 MB/s，第二代 SATA 硬盤的寫入速度則高達(dá) 300MB/s，整整比第一代的速度提高了一倍。正逐漸取代 PATA 接口。

SATA接口，是一種較為傳統(tǒng)的硬盤接口，廣泛應(yīng)用于各種電腦設(shè)備中，通常為2.5英寸硬盤的標(biāo)準(zhǔn)接口，如下圖2。

圖片

圖2、SATA接口樣式

SATA接口的優(yōu)缺點：

○ SATA接口的優(yōu)點：

? 兼容性極強：2003 年推出以來，幾乎所有消費級和服務(wù)器級主板均配備 SATA 接口（通常 4-6 個），支持熱插拔（SATA Hot Plug），可直接替換老舊硬盤；

? 成本低廉：接口芯片和數(shù)據(jù)線成本低，且支持最長 1 米傳輸距離；

? 穩(wěn)定性高：

采用差分信號傳輸，抗干擾能力強，日常故障率極低（年均故障率約 0.5%）。

○ SATA接口的缺點：

? 帶寬瓶頸明顯：

SATA 3.0 理論峰值速率僅 600 MB/s，即使搭配高性能 SATA SSD（如三星 870 EVO），實際持續(xù)讀寫速度也無法突破 600 MB/s，無法發(fā)揮出高端閃存芯片的性能；

? 架構(gòu)老舊：

基于 “AHCI 協(xié)議” 設(shè)計，僅支持單隊列（Queue Depth=32），在多任務(wù)并發(fā)讀寫場景（如同時打開多個軟件、傳輸多個文件）下，IOPS 表現(xiàn)較差（約 10000-20000 IOPS）。

3.2.2M.2接口

M. 2接口前身為NGFF（NextGenerationFormFactor）,于2013年正式更名為M.2。

根據(jù)接口形狀的不同，如下圖3所示，分為三種類型：

? M-Key：支持PCI-E x4通道，擁有高達(dá)32Gbps的帶寬；

? B-Key：主要支持SATA（兼容AHCI）和PCI-Ex2通道；

? B&M-Key：支持SATA接口；

圖3、M.2接口樣式

3.3、不同的協(xié)議解析

3.3.1PCIe協(xié)議

PCIe是一種物理接口與總線協(xié)議，用于硬件設(shè)備（如顯卡、網(wǎng)卡、SSD）與主板的連接（是主板上的固有的硬件），提供高速數(shù)據(jù)傳輸通道，其性能由版本（如PCIe3.0、 4.0、5.0）和通道數(shù)（如x4、x8）決定，例如PCIe 4.0 x4的帶寬可達(dá)64GB/s。

PCIe協(xié)議，并非專門為存儲設(shè)備設(shè)計，但現(xiàn)在也廣泛用在固態(tài)硬盤上，PCIe接口的固態(tài)硬盤可以直接插在主板的PCIe插槽上，如下圖3，獲得更高的數(shù)據(jù)傳輸速度，常見于臺式機。

圖3、PCIe插槽

PCIe協(xié)議優(yōu)缺點：

? PCIe協(xié)議的優(yōu)點：

○ 帶寬潛力大：

PCIe 協(xié)議采用多通道并行設(shè)計，通道數(shù)可靈活擴展（x1/x2/x4/x8/x16），以主流的 PCIe 4.0 x4 為例，理論帶寬達(dá) 64 GB/s，是 SATA 3.0 的 13 倍以上，可充分滿足高端 SSD 的性能需求；

○ 擴展性強：

除硬盤外，還支持顯卡、網(wǎng)卡、RAID 卡等設(shè)備，同一 PCIe 總線可連接多個設(shè)備（通過交換機芯片）；

○ 延遲低：

采用點對點傳輸（Peer-to-Peer），無需經(jīng)過南橋芯片中轉(zhuǎn)，數(shù)據(jù)傳輸延遲比 SATA 低 30%-50%；

? PCIe協(xié)議的缺點：

● 兼容性受限：

不同版本的 PCIe 協(xié)議（如 3.0/4.0/5.0）存在向下兼容但不向上兼容的問題。

例如 PCIe 4.0 SSD 插入 PCIe 3.0 接口，會降速至 PCIe 3.0 速率；

例如老舊主板（如 2017 年前的主板）可能無 PCIe M.2 接口；

● 成本較高：

PCIe 控制器芯片和接口設(shè)計復(fù)雜，導(dǎo)致 PCIe SSD 價格比同容量 SATA SSD 高 20%-40%；同時，長距離傳輸（超過 0.5 米）需使用專用屏蔽線，成本增加。

3.3.2NVMe協(xié)議：（Non-Volatile Memory Express）

NVMe協(xié)議，專門針對固態(tài)硬盤 SSD 優(yōu)化，用于優(yōu)化主機與存儲設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸效率。它通過并行隊列（如64K命令隊列）和低延遲指令，充分發(fā)揮SSD的并發(fā)性能，取代傳統(tǒng)的AHCI協(xié)議。

相較于PCIe協(xié)議，NVMe協(xié)議不直接定義帶寬，而是通過優(yōu)化命令處理提升效率，例如，NVMe 支持 64000 個并行命令隊列（傳統(tǒng) SATA 僅 1 個）

NVMe協(xié)議的優(yōu)缺點：

? NVMe協(xié)議的優(yōu)點：

○ 架構(gòu)優(yōu)化：

專為閃存設(shè)計，支持多隊列（Queue Depth 最高 65536）和并行 IO 操作，在多任務(wù)場景下 IOPS 表現(xiàn)極佳（高端 NVMe SSD 可達(dá) 100 萬 + IOPS），是 SATA SSD 的 5-10 倍；

○ 延遲極低：

采用 “直接內(nèi)存訪問（DMA）” 技術(shù)，數(shù)據(jù)可直接在 SSD 和內(nèi)存之間傳輸，無需 CPU 中轉(zhuǎn)，讀寫延遲可低至 10-20 微秒，比 SATA SSD 低 50% 以上；

○ 功能豐富：

支持熱插拔、加密（TCG Opal 2.0）、健康狀態(tài)監(jiān)測（SMART 擴展）、功耗管理（DevSleep）等功能，滿足企業(yè)級和消費級場景的多樣化需求。

? NVMe協(xié)議的缺點：

● 依賴主板支持：

需主板配備 M.2 PCIe 接口（且支持 NVMe 協(xié)議），部分老舊主板雖有 M.2 接口，但僅支持 SATA 協(xié)議，無法使用 NVMe SSD；

● 散熱要求高：

高性能 NVMe SSD 工作時功耗較高（如 PCIe 4.0 SSD 滿載功耗約 10-15W），若未配備散熱片，可能因溫度過高（超過 70℃）導(dǎo)致性能降速（Throttling）。

本篇文章中，結(jié)合機械硬盤的結(jié)構(gòu)組成，詳解下機械硬盤的工作原理。

四、機械硬盤的組成部分

機械硬盤作為一種依靠機械結(jié)構(gòu)工作的存儲設(shè)備，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜且精密（公差精度達(dá)微米級），主要由磁盤片、磁頭、主軸電機、磁頭驅(qū)動機構(gòu)、控制電路板、外殼六大核心部分組成，各部件的位置分布參考下圖4：

各部件的功能如下：

五、機械硬盤的工作原理

上面講到機械硬盤的外部結(jié)構(gòu)，再結(jié)合它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，來談?wù)勊墓ぷ髟怼?/p>

5.1磁盤片的組成和邏輯結(jié)構(gòu)

先用一張圖來做整體了解，見下圖5：

圖片

5.2機械硬盤的磁盤片

機械硬盤中，磁盤片通常由多個盤片（Platter）有序?qū)盈B形成，如下圖6。盤片正反兩面都涂有磁性物質(zhì)，因此一個盤片有兩個盤面（Side），及上下盤面。正常情況下，每個盤面都會用來存儲數(shù)據(jù)，成為有效盤片，數(shù)據(jù)會以二進制的方式被存儲在盤面里，特殊情況下，也有硬盤盤面數(shù)為單數(shù)。

每一個這樣的有效盤面都會有盤面號，按順序從上至下從“0”開始依次編號。在硬盤系統(tǒng)中，每個有效盤面都有一個對應(yīng)的讀寫磁頭，因此盤面號又叫磁頭號。

對于單個盤面而言，為了方便數(shù)據(jù)讀取，可以分為幾個邏輯結(jié)構(gòu)：

? 磁道（Track）：

磁盤在格式化時被劃分成許多同心圓，這些同心圓軌跡叫做磁道。

磁道由外向內(nèi)，從0開始順序編號。每個盤面有300～1024個磁道，新式大容量硬盤每面的磁道數(shù)更多。每個磁道又被劃分為若干個扇區(qū)，信息以脈沖串的形式記錄在這些軌跡中。

? 扇區(qū)（Sectors）：

  在磁盤里的磁道上等分出若干個弧段，這些弧段便是磁盤的扇區(qū)，每個扇區(qū)可以存放512個字節(jié)或4KB（通常是512字節(jié)），磁盤驅(qū)動器向磁盤讀取/寫入數(shù)據(jù)時，以扇區(qū)為單位位。

通常扇區(qū)與扇區(qū)之間也有一定間隔（邏輯上的間隔，物理上沒有任何間隔，但是每個扇區(qū)的開頭都有一個同步信息，外圍電路可以用來判斷一個扇區(qū)的開始）。

如果將單個盤面中的某個磁道展開，則如下圖7：

圖7、機械硬盤的盤面中磁道展開

? 簇（Cluster）：

將相鄰的若干個扇區(qū)稱為了一個簇。操作系統(tǒng)讀寫磁盤的基本單位是扇區(qū)，而文件系統(tǒng)的基本單位是簇。

如在Windows下，隨便找個幾字節(jié)的文件，在其上面點擊鼠標(biāo)右鍵選擇屬性，看看實際大小與占用空間兩項內(nèi)容，如大?。?字節(jié)(2個字母)，占用空間：4KB(4096字節(jié))。占用空間即為機器分區(qū)的簇大小，因為再小的文件都會占用空間，邏輯基本單位是4K，所以都會占用4K。 

簇的大小通常為4K，8K，16K，32K，64K等：

● 簇越大存儲性能越好，但空間浪費嚴(yán)重。

● 簇越小性能相對越低，但空間利用率高。FAT32格式的文件系統(tǒng)簇的大小默認(rèn)為4K。

圖8、機械硬盤的盤面中磁道、扇區(qū)示意

? 柱面（Cylinder）：

多個盤片垂直層疊，形成一個虛擬的圓柱體，這個堆疊的圓柱從外向內(nèi)，分別為0柱面、1柱面...N柱面，越往內(nèi)柱面的同心圓越小。每個圓柱上的磁頭由上而下從“0”開始編號。

如果將某個柱面展開，則如下圖9：

圖9、機械硬盤的柱面沿著盤面、磁道展開

5.2機械硬盤的工作原理

5.2.1機械硬盤的數(shù)據(jù)讀/寫模式

在談機械硬盤的工作原理前，咱們先了解下機械硬盤的數(shù)據(jù)讀/寫原理。

前面講到硬盤是有磁盤片的層疊組合而成，從先入為主的概念中，很容易會覺得硬盤讀寫數(shù)據(jù)時，是按照盤面有序讀/寫操作的。但是為了更好的提高硬盤的讀寫效率，硬盤在設(shè)計時，數(shù)據(jù)的讀/寫按柱面進行操作。

為什么要如此設(shè)計呢？因為磁頭的選取是通過電子切換，而柱面選取則是通過機械切換。相較于機械切換，電子切換速度要更為迅速，所以數(shù)據(jù)的讀/寫按柱面進行，而不按盤面進行。

磁頭讀/寫數(shù)據(jù)時，先在同一柱面內(nèi)從“0”磁頭開始進行操作，依次向下在同一柱面的不同盤面進行操作，直至同一柱面的所有磁頭全部讀/寫完畢，磁頭才轉(zhuǎn)移到下一柱面，優(yōu)先順序為：

1、某個盤面，某個磁道，某個扇區(qū)，按順序?qū)憹M扇區(qū)，直至寫滿整個磁道；

2、同一柱面，下一個盤面，同樣寫滿扇區(qū)，寫滿磁道，直至寫滿柱面；

3、下一柱面，循環(huán)操作；

當(dāng)計算機系統(tǒng)需要在磁盤上，讀取/寫入數(shù)據(jù)時，它會根據(jù)柱面號、磁頭號和扇區(qū)號，來確定目標(biāo)數(shù)據(jù)的位置。通過控制磁頭的移動和盤片的旋轉(zhuǎn)，準(zhǔn)確地定位到特定柱面上的特定扇區(qū)，從而進行數(shù)據(jù)的讀寫操作。

講到這里，我們可以很容易計算出硬盤的容量：

硬盤容量 = 盤面(磁頭)數(shù) × 柱面數(shù) × 扇區(qū)數(shù) × 每扇區(qū)字節(jié)數(shù)

5.2.2、機械硬盤的工作原理

機械硬盤的工作過程是 “機械運動 + 電子信號處理” 的協(xié)同過程，核心是通過磁頭在高速旋轉(zhuǎn)的盤片上，完成 “尋址 - 讀寫 - 校驗” 的閉環(huán)操作。

工作流程可以為：

啟動初始化 -> 硬盤尋址 -> 數(shù)據(jù)讀取/寫入 -> 停止工作

5.2.2.1、啟動初始化

機械硬盤的啟動初始化過程，可以分為三步：

? 通電自檢：

計算機開機后，電源向控制電路板供電（12V 為主軸電機供電，5V 為芯片供電），硬盤控制器芯片首先執(zhí)行 “自檢程序”，檢測主軸電機、磁頭、磁頭驅(qū)動機構(gòu)是否正常（如電機是否能轉(zhuǎn)動、磁頭是否能移動到停放區(qū)），若檢測失敗，會通過 SATA 接口向主板發(fā)送錯誤代碼（如 “01” 表示磁頭故障）；

通常硬盤出現(xiàn)異常時，Windows系統(tǒng)加載時會出現(xiàn)藍(lán)屏現(xiàn)象，并拋出此錯誤碼。

? 主軸電機啟動：

自檢通過后，硬盤控制器向主軸電機發(fā)送啟動指令，電機從靜止?fàn)顟B(tài)開始加速，經(jīng)過 2-3 秒（7200 RPM 硬盤）達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，此時盤片表面的空氣膜形成，磁頭在懸浮臂的作用下，從停放區(qū)移動到 “待命磁道”（通常是盤片外側(cè)的空閑磁道），等待讀寫指令；

? 參數(shù)加載：

控制器從硬盤的 “固件區(qū)”（盤片內(nèi)側(cè)的專用磁道）加載硬盤參數(shù)（如容量、磁頭數(shù)、磁道數(shù)、扇區(qū)數(shù)），并將參數(shù)發(fā)送給主板 BIOS，完成初始化，此時硬盤進入 “就緒狀態(tài)”（Ready）。

通過這三步的操作，硬盤完成初始化操作，進入工作狀態(tài)。

5.2.2.2、硬盤尋址

硬盤進行讀/寫數(shù)據(jù)操作，肯定得先在硬盤物理空間中，找到具體的數(shù)據(jù)操作位置，才能進行數(shù)據(jù)讀/寫操作。根據(jù)上面提到的機械硬盤數(shù)據(jù)讀/寫模式，只要確定柱面（Cylinder）、磁頭（Head）、扇區(qū)（Sector），即可以確定數(shù)據(jù)在硬盤中的存儲位置，這就是提到的CHS概念。

但是，機械硬盤的尋址方式，并非使用CHS，而是采用 “邏輯塊地址（LBA，Logical Block Addressing）” 的方式來進行物理尋址。通俗來講，所謂的LBA，就是每一個扇區(qū)的下標(biāo)。

在圖9中，將某個柱面展開，如果再進一步，將整個磁盤展開呢？則如下圖10：

圖10、機械硬盤整體展開示意

在圖10中，可以看到將整個磁盤展開，則扇區(qū)的地址呈線性地址?？梢詫⒋疟P看成一個三維數(shù)組，那么對于扇區(qū)則是一個“一維數(shù)組”，數(shù)組的下標(biāo)則是LBA，每個元素則是對應(yīng)的扇區(qū)。

扇區(qū)Sector是一個邏輯概念，而硬盤中的數(shù)據(jù)位置是一個物理概念，對于扇區(qū)地址，則需要從邏輯地址轉(zhuǎn)換成為物理地址，這就是硬盤工作原理中的LBA 地址轉(zhuǎn)換。

LBA->CHS轉(zhuǎn)換公式如下：

○ 柱面號： C  = LBA ÷ (H × S)

○ 磁頭號： H = (LBA % (H × S)) ÷ S

○ 扇區(qū)號： S  = (LBA % (H × S)) % S + 1（扇區(qū)號從 1 開始計數(shù)）

示例：若硬盤參數(shù)為 H=4（2 片盤片，每片 2 個磁頭）、S=64（每磁道 64 個扇區(qū)），LBA=1000，則：

C = 1000 ÷ (4×64) =3（取整數(shù)）

H = (1000 % 256) ÷ 64=24 ÷ 64 =0

S  = (1000 % 256) % 64 +1 = 24 + 1 = 25

物理地址：磁頭 0、柱面 3、扇區(qū) 25

確定了數(shù)據(jù)操作位置在硬盤中的空間物理坐標(biāo)，則需要通過運動的方式，磁頭和扇區(qū)協(xié)同運動，將磁頭移動到具體的物理坐標(biāo)，這個過程包括：

? 磁頭定位（尋道）：

控制器向音圈電機發(fā)送電流信號，帶動磁頭臂移動，將指定磁頭（Hd）移動到目標(biāo)柱面（C）的磁道上方，此過程稱為 “尋道”，耗時約 4-8 毫秒（平均尋道時間）；

? 扇區(qū)定位（旋轉(zhuǎn)延遲）：

由于盤片在高速旋轉(zhuǎn)，目標(biāo)扇區(qū)（Sd）需旋轉(zhuǎn)到磁頭下方才能進行讀寫，此過程的耗時稱為 “平均旋轉(zhuǎn)延遲”，計算公式為 “(60 × 1000) ÷ (2 × 轉(zhuǎn)速)”（取旋轉(zhuǎn)半圈的平均時間）：

○ 5400 RPM 硬盤：平均旋轉(zhuǎn)延遲 = (60×1000)÷(2×5400)≈5.56 毫秒

○ 7200 RPM 硬盤：平均旋轉(zhuǎn)延遲≈4.17 毫秒

○ 15000 RPM 硬盤：平均旋轉(zhuǎn)延遲≈2 毫秒

總尋址時間：平均尋道時間 + 平均旋轉(zhuǎn)延遲，是機械硬盤隨機讀寫性能的核心指標(biāo)（通常 8-15 毫秒），遠(yuǎn)高于固態(tài)硬盤（0.1-1 毫秒）。

對于計算機的文件系統(tǒng)來講，扇區(qū)通常只有512字節(jié)，對扇區(qū)操作，效率太低，通常會一次性讀取多個扇區(qū)，通常將一次性讀取的空間大小，叫做塊（Block），最常見的一個塊為4KB，即連續(xù)8個扇區(qū)組成一個“塊”，“塊”是文件存取的最小單位，所以有的地方，LBA定義的是塊的下標(biāo)，原理都是一致的。

5.2.2.3、數(shù)據(jù)讀/寫

當(dāng)計算機需要向機械硬盤讀/寫數(shù)據(jù)時，整個過程如下：

? 指令與數(shù)據(jù)接收：

操作系統(tǒng)通過 SATA 接口向硬盤控制器發(fā)送指令：

○ “寫入指令”：（如 ATA 協(xié)議中的 “WRITE SECTOR (S)” 指令）、目標(biāo) LBA 地址和待寫入數(shù)據(jù)（通常以 “扇區(qū)” 為單位，如 8 個扇區(qū) = 4KB）；

○ “讀取指令”（如 ATA 協(xié)議中的 “READ SECTOR (S)” 指令）、目標(biāo)LBA地址；

? 數(shù)據(jù)緩存與處理：

控制器將待寫入數(shù)據(jù)暫存到緩存芯片中，同時對數(shù)據(jù)進行 “編碼”（如 8b/10b 編碼，將 8 位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 10 位信號，提高抗干擾能力）和 “校驗碼生成”（如生成 CRC32 校驗碼，用于后續(xù)驗證數(shù)據(jù)完整性）；

? 尋址與定位：

控制器執(zhí)行尋址過程，將磁頭移動到目標(biāo)磁道，等待目標(biāo)扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下方；

? 數(shù)據(jù)校驗與反饋：

○ 寫操作：

寫完后，磁頭立即讀取剛寫入的數(shù)據(jù)，與緩存中的原始數(shù)據(jù)進行比對（通過 CRC32 校驗）：

? 若一致，控制器向操作系統(tǒng)發(fā)送 “寫入成功” 信號；

? 若不一致，控制器會嘗試重新寫入（通常重試 3-5 次），若多次失敗，則標(biāo)記該扇區(qū)為 “壞扇區(qū)”，并將數(shù)據(jù)寫入備用扇區(qū)（硬盤預(yù)留約 1%-2% 的備用扇區(qū)），同時更新 “壞扇區(qū)映射表”（存儲在固件區(qū)）。

○ 讀操作：

控制器利用 ECC 碼對讀取的數(shù)據(jù)進行校驗。

若發(fā)現(xiàn)輕微錯誤（如 1-2 位錯誤），可通過 ECC 碼自動糾正；若錯誤嚴(yán)重（如 3 位以上錯誤），則嘗試重新讀?。ㄖ卦?3-5 次），若仍失敗，向操作系統(tǒng)發(fā)送 “讀取錯誤” 信號；

若校驗通過，控制器將數(shù)據(jù)從緩存芯片傳輸?shù)街靼澹ㄍㄟ^ SATA 接口），完成讀??；

若操作系統(tǒng)后續(xù)讀取的是相鄰扇區(qū)（如連續(xù)讀取文件），控制器會提前將相鄰扇區(qū)的數(shù)據(jù)讀取到緩存中（稱為 “預(yù)讀取”），減少磁頭的機械操作，提升連續(xù)讀取速度（如 7200 RPM 硬盤連續(xù)讀取速度可達(dá) 150-200 MB/s）。

5.2.2.4、停止工作過程

當(dāng)計算機系統(tǒng)，進行關(guān)機，或者進入休眠狀態(tài)時，硬盤則會進入停止工作操作，這個過程包含：

? 指令接收與準(zhǔn)備：

操作系統(tǒng)向硬盤發(fā)送 “停止指令”（如 ATA 協(xié)議中的 “STANDBY IMMEDIATE” 指令）；

? 磁頭歸位：

控制器控制音圈電機，將所有磁頭移動到盤片內(nèi)側(cè)的停放區(qū)（無磁性涂層，即使盤片停止旋轉(zhuǎn)，磁頭也不會損壞），同時切斷磁頭的讀寫電路；

? 主軸電機減速：

控制器降低主軸電機的驅(qū)動電流，電機轉(zhuǎn)速逐漸下降，經(jīng)過 3-5 秒（7200 RPM 硬盤）完全停止旋轉(zhuǎn)；

? 低功耗模式：

控制器切斷大部分芯片的電源（僅保留喚醒電路通電），硬盤進入 “休眠狀態(tài)”（功耗約 0.1-0.5W），等待下次開機或喚醒指令（如主板發(fā)送 “喚醒信號”）。

完成這些操作后，硬盤進入停止工作狀態(tài)。

5.2.3、機械硬盤與文件系統(tǒng)

前面提到，硬盤扇區(qū)通常大小為512字節(jié)，對于現(xiàn)代系統(tǒng)，文件可能高達(dá)數(shù)GB，甚至TB，而硬盤的扇區(qū)是線性序列，如果在文件系統(tǒng)中，文件操作時僅僅告訴操作系統(tǒng)“文件從扇區(qū)100開始，至扇區(qū)500結(jié)束”，則會引出很多問題：

○ 碎片化管理復(fù)雜：

文件寫入、刪除操作，會產(chǎn)生碎片，一個文件可能分散在不同扇區(qū)，直接用物理地址描述太復(fù)雜。

○ 不方便跨平臺：不同磁盤廠商的底層結(jié)構(gòu)不同，需要一個抽象層。

○ 權(quán)限與屬性無法記錄：文件的時間戳、權(quán)限、擁有者等信息沒有地方存儲。

○ 檢索速度低：如果沒有索引，每次打開一個文件都得“掃盤”，效率極低。

通俗理解，硬盤的扇區(qū)就像圖書館的書架格子，如果沒有“目錄卡片”和“書籍標(biāo)簽”，找一本書需要逐個翻閱書架。為了解決此些問題，引出了文件系統(tǒng)元數(shù)據(jù)的定義：

文件系統(tǒng)元數(shù)據(jù)是操作系統(tǒng)管理磁盤的索引表+文件屬性表

文件系統(tǒng)元數(shù)據(jù)包括：

○ 基本信息：文件名稱、類型、大小、時間戳、文件權(quán)限、用戶和組、文件標(biāo)志位等；

○ 空間管理信息：文件占用的簇或者扇區(qū)編號、空閑空間的管理結(jié)構(gòu)（如位圖、鏈表）

○ 目錄結(jié)構(gòu)：記錄下屬文件和子目錄的索引；

文件系統(tǒng)元數(shù)據(jù)抽象了復(fù)雜的物理結(jié)構(gòu)，引入了一些便利：

○ 快速索引：記錄每個文件在哪些簇/扇區(qū)；

○ 空間管理：哪些磁盤區(qū)域已使用、哪些空閑；

○ 屬性存儲：文件的大小、創(chuàng)建/修改時間、權(quán)限、所有者等；

○ 一致性保障：通過日志和校驗機制保證系統(tǒng)崩潰后數(shù)據(jù)一致；

○ 邏輯抽象：用戶看到的是文件夾和文件名，而非扇區(qū)號。

文件系統(tǒng)特有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

        因為文件系統(tǒng)的元數(shù)據(jù)的設(shè)計存在，由此引出硬盤格式化操作的差異：

? 快速格式化： 

只清空元數(shù)據(jù)表（如MFT、FAT表），標(biāo)記所有簇為空閑，數(shù)據(jù)區(qū)未清除；  

? 完全格式化： 掃描所有扇區(qū)并重建元數(shù)據(jù)，甚至覆蓋數(shù)據(jù)區(qū)；  

六、總結(jié)

通過以上的梳理，對于筆記本的硬盤硬件組成，以及對機械硬盤的工作原理，有了初步的了解。在筆記本日常硬盤中，主要是機械硬盤和固態(tài)硬盤，而固態(tài)硬盤的設(shè)計技術(shù)概念和機械硬盤還是存在差異。